光从根本上说是波浪还是粒子？
量子物理学最离奇的方面之一是，构成宇宙的基本实体（我们称为现实的不可分割的量子）既表现为波动又表现为粒子。我们可以做某些实验，例如在一块金属板上发射光子，它们像粒子一样起作用，与电子相互作用并仅在它们各自具有足够的能量时才将它们踢出。其他实验，例如在狭小的物体上发射光子-无论是狭缝，毛发，孔，球还是DVD，都可以得到图案化的结果，这些结果仅显示出类似波浪的行为。至少可以说，我们观察到的内容似乎取决于我们所做的观察，这令人沮丧。有什么方法可以从根本上说出量子的本质，以及它的核心是波状还是粒子状？这就是Sandra Marin想知道的，他问：
“我想知道您是否可以帮助我了解约翰·惠勒-延迟选择实验并撰写有关此的文章。”
约翰·惠勒（John Wheeler）是20世纪物理学界最杰出的思想家之一，在量子场论，广义相对论，黑洞甚至量子计算领域取得了巨大的进步。然而，关于延迟选择实验的想法一直追溯到我们对量子物理学的波粒二象性的第一次体验：双缝实验。
双缝实验的想法可以追溯到克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens），他在17世纪是一位杰出的科学家，在许多方面，他是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的强大竞争对手。牛顿坚持认为，光是粒子状的射线-用他的话来说是小球-指向诸如光通过晶体折射的现象。惠更斯意识到，光的特性可以用波更好地解释，例如干涉和衍射。
举例来说，如果您要将物体放在稳定的水池中，就会看到它产生的波纹向外传播：波浪。如果您设置了一个屏障来阻挡波浪，但在屏障中放置了一个细小的缝隙，则波浪会穿过该缝隙，形成相同的波纹图案。如果将两个这样的缝隙并排放置，则那些波纹状的图案会重叠，在某些地方波纹会累加，而在另一些地方会抵消。现在，我们将这些现象称为相长干涉和相消干涉。惠更斯证明了水波就是这种情况，他强烈怀疑光波也会发生同样的事情。
大约100年后，托马斯·杨（Thomas Young）最终进行了这一关键实验，他设法创造出足以使该想法真正经受考验的单色光。如果您通过双缝隙发出白光，则它会进入所有不同的波长，因此您将无法挑出相长或相消干涉；所有不同的波长重叠，产生连续的白光带。但是，对于单色光，不仅会出现干涉图样，而且还以易于计算的方式直接与所选光的波长相关。 （使用现代激光器进行此实验要容易得多，现代激光器不仅提供单色光，而且还提供相干光。）
随着时间的流逝，双缝实验变得更加完善。它显示适用于不同的颜色和波长。它既可以在真空中也可以在介质中工作。它适用于所有量子粒子，包括原子和电子，而不仅适用于光子。即使您一次发送一次光子，它也可以工作。光子不仅会相互干扰，而且其行为就像每个单独的光子都会以某种方式干扰自身一样。
所以，光是波浪，对不对？没那么快。您可以对双缝实验进行另一种修改：您可以尝试测量光子穿过哪个缝（缝＃1或缝＃2）。您一次发射一个，然后测量第一个光子穿过缝隙＃2。您发射第二个，然后测量它是否穿过了＃1缝隙。您可以像以前一样对成千上万个光子执行此操作，从而在屏幕上建立图案。
这次，与之前不同，您不再有干扰模式！与其有很多光子堆积的交替区域散布着没有光子的区域，您而是得到两个块：一个块状，光子直接穿过缝隙1，另一个块状穿过缝隙2。光子几乎就像“知道”您是否在观看它，当您不观看时表现为波浪，当您观看时表现为粒子。
这就是Wheeler的“延迟选择”实验思想的产生之处。如果光子的行为不同，是否要测量它穿过的狭缝，那么应该有一种方法可以弄清楚光子本身在做什么。是否以某种方式感测了实验设备？它会根据实验的设置来调整其行为吗？它是从不确定状态迅速转变为确定状态，还是直到您实际测量它之前都保持不确定状态？
这些是Wheeler在40年前考虑的问题，目的是设计一个可以在各种条件下询问光子的实验（或多个实验）。关键是要对光子进行设置，使其决定“我要像波浪或粒子一样工作”，然后在光子到达检测器之前，进行另一次尝试的变化迫使光子以相反的方式表现。目的是将光子陷入一个悖论中：当它本来应该像粒子时那样像波，反之亦然。
这些实验的动机可能并不明显，但是您必须记住，对于量子物理学，有许多不同的解释都可以同时满足数据的要求。是否存在真正的量子波函数，并且在进行测量时会“塌陷”吗？是否存在无限可能的结果集（合奏），而度量只是让您知道宇宙走了哪条路？是否有无穷无尽的平行宇宙在那里发生每一个结果，我们是否只是占据了一条这样的道路？
我们仍然不知道。但是，惠勒的动机是“隐藏变量”的概念。这个想法可能是，即使在量子水平上，宇宙也确实是确定性的。也许除了我们可以观察到的特性外，每个量子粒子还具有我们无法观察到的特性，但可以预先确定任何实验的结果。如果我们能够以正确的方式审讯自然，也许我们甚至可以发现这些隐藏的变量可能是什么。
怀着这个想法，惠勒设计了这些测试：准确地理解“这些光子何时”从“波状”过渡到“粒子状”，反之亦然。
当然，您要测量的内容取决于您提出的问题以及如何提出。如果您想知道“这个能量量子在哪里”，那就是位置测量：一种固有的类粒子性质。或者，您可以问“这个量子的频率或幅度是多少”，而这些本质上就是波状性质。不过，您无法做的是同时测量类粒子和类波属性。
而且，我们对光子所做的唯一测量本质上是对光子造成破坏的。检测光子需要与另一个量子相互作用，例如电子，然后产生一个可以记录在某种检测器中的信号。您可以对单个光子进行任何您喜欢的实验，并重复多次该实验，但是唯一可以记录的信息是光子与某种探测器之间的相互作用：屏幕，光电倍增管，电子门等
尽管Wheeler实际上提出了许多实验来测试这一点，但我最喜欢的是一种可以放置在两种配置中的干涉仪：打开和关闭。
干涉仪的工作原理是沿不同方向发送两条光路，然后在末端将它们组合在一起，产生取决于光子所经过的光路长度的干涉图样。您甚至可以用一个光子来完成它，首先使它通过分束器，因此50％的光遵循上面的“蓝色”路径，而其他50％的光遵循“红色”路径。然后从反射镜反射光，其中之一：
您选择打开配置（上方，上方），然后简单地检测红色路径的光子或蓝色路径的光子，它们在撞击检测器时就像粒子一样工作，
或者您选择了封闭的配置（下面的底部），其中第二个分束器重新组合了光线，其作用就像是屏幕上的波浪。
在开放的示例中，光子采用一条路径或另一条路径，仅在一个检测器中显示。在封闭的示例中，光子必须采用两条路径来干扰自身。惠勒认识到，如果您将光子通过第一个分束器，则可以“交换”第二个分束器，根据需要将其打开或关闭，以捕获光子，使其成为波浪形或波状。一个粒子。
但是，无论您如何进行此实验，您始终可以获得相同的结果。如果当光子到达第二个分离器应有的位置时，分离器在那里（关闭），则您始终会得到波形。如果第二个分离器不存在（打开），则总是使粒子到达一个检测器或另一个检测器。换句话说，即使光子注定要通过蓝色路径，最初在一个特定的检测器中显示，插入第二个分束器，即使在最后一刻，也总是会给您返回波形。
换句话说，无论量子如何运行（无论是光子，电子，原子还是其他任何东西），都需要延迟选择测量系统的时间，直到最后一刻。 ，对实验结果没有影响。尽管爱因斯坦绝对希望我们拥有一个完全可理解的现实，其中发生的一切都遵循我们的因果关系而没有任何因果关系，但在这一点上，他的伟大竞争对手玻尔却是正确的。用玻尔自己的话来说：
“ ...对于通过确定的实验安排可获得的可观察到的效果，无论是我们预先确定的建造或使用仪器的计划是固定的还是我们希望将计划的完成推迟到以后当粒子已经从一种仪器转移到另一种仪器的时刻。”
最近，天文学家使用来自引力透镜的数据来证明同一件事。在引力透镜中，同一物体的多个图像在经过了数百万甚至数十亿年的宇宙历程后到达。如果您不将其重组到检测器中，则到达的光子将充当粒子，如果您将其重组，则将充当波。即使当地球上最复杂的生命形式是单细胞生物时，有些人离开了源头，我们也可以在最后一瞬间将一种类型的探测器交换为另一种类型的探测器，这意味着光子“总是在波动”或为了产生我们看到的结果，“总是一个粒子”。
多年来，我们从这些实验和许多其他实验中学到的是，所有量子固有地表现为认为它们既是波又是粒子，并且可以通过选择如何测量来确定结果。据我们所知，没有一个独立于观察者或互动的真实客观，确定性现实。在这个宇宙中，您确实必须观察才能发现所得到的。
在推特上关注我。在这里查看我的网站或其他一些工作。